随着工业化的发展，环境和能源问题越来越重要，农作物秸秆作为可再生资源，推广其综合利用对增加收入、保护环境、节约资源和实现农业可持续发展具有重要意义。实现“双碳”目标需要做到碳排放达峰和碳中和，持续改善生态环境，推动绿色低碳发展，有序推进碳达峰碳中和工作。秸秆综合利用作为实现农业“双碳”目标的重要着力点，目前面临着秸秆总量大但产品附加值低的困境。
针对这一问题，该研究重点从制备高附加值材料的角度出发，对秸秆再利用途径进行综述，以期为我国秸秆高值化利用提供一些理论支持。
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秸秆的传统处理方法
此外，焚烧秸秆会释放大量温室气体，对空气质量和人类健康产生极大影响，影响航空和道路交通安全，间接造成大量有机物流失。同时，燃烧大量颗粒物也会对人类的呼吸系统健康产生不良影响，研究表明，暴露在颗粒状的空气污染中会对心脏和肺部健康产生不利影响。为了解决这些问题，需要采用先进的处理技术和工艺，推动秸秆资源化和综合利用。
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秸秆的资源化利用现状
秸秆的处理方法多种多样，包括堆肥、沼气发酵、焚烧、压缩、粉碎等。不同的处理方法有不同的优缺点，农民和农业生产者应根据当地的资源和需求选择适合自己的方法。
2.1秸秆还田的形式
2.1.1、秸秆粉碎翻压还田
就是把作物收获后的秸秆通过机械化粉碎，耕地，直接翻压在土壤里。这样能的优点有四：1、改善土壤理化性质。2、把秸秆的营养物质充分的保留在土壤里。3、提高化肥利用率。4、提高作物抗旱抗盐碱性。
2.1.2、过腹还田
过腹还田是利用秸秆饲喂牛、马、猪、羊等牲畜后，秸秆先作饲料，经禽畜消化吸收后变成粪、尿，以畜粪尿施入土壤还田。秸秆过腹还田，不仅可以增加禽畜产品，还可为农业增加大量的有机肥，降低农业成本，促进农业生态良性环。
2.1.3、堆沤还田
堆沤还田是将作物秸秆制成堆肥、沤肥等，作物秸秆发酵后施入土壤，其形式有厌氧发酵和好氧发酵2种。经发酵的秸秆可加速腐殖质分解制成质量较好的有机肥，作为基肥还田。
2.1.4、废渣还田
“秸秆气化、废渣还田”是一种生物质热能气化技术：秸秆气化后，其生成的可燃性气体（沼气）可作为农村生活能源集中供气，气化后形成的废渣经处理作为肥料还田、秸秆炭化、草灰还田，秸秆经不完全燃烧后，变成保留养分的草木灰作肥料还田。
2.1.5、覆盖还田
这种方式就是秸秆粉碎后直接覆盖在地表。这样可以减少土壤水分的蒸发，达到保墒的目的，腐烂后增加土壤有机质。但是这样会给灌溉带来不便，造成水资源的浪费，严重影响播种。这种形式只适合机械化点播，但缺乏此类点播设备，这种方式有时也比较适宜干旱地区及北方地区，进行小面积的人工整株倒茬覆盖。
2.1.6机械还田
机械化秸秆还田包括秸秆粉碎还田、根茬粉碎还田、整杆翻埋还田、整杆编压还田等多种形式，具有便捷、快速、低成本、大面积培肥地力的优势，是一项较为成熟的技术。机械化秸秆还田的主要特征是采用机械将收获后的农作物秸秆粉碎翻埋或整秆翻埋或整杆编压还田。
2.2沼气发酵
沼气发酵是将秸秆和其他有机物质放入封闭式反应器中，通过微生物的分解作用产生沼气和有机肥料。这种方法可以产生可再生能源，并减少温室气体的排放。
2.3压缩和粉碎
压缩和粉碎是将秸秆压缩成固体燃料或颗粒状物质，用于生产生物质能源。这种方法可以有效地减少秸秆的体积，并提高利用效率。
03
秸秆的工业化应用
3.1秸秆造纸
我国的造纸业发展迅速，但缺乏足够的森林资源作为造纸原材料，许多需求只能通过进口进行满足。因此，纸浆和造纸工业正经历着严重的纸浆木材短缺问题，目前需要寻求其他原材料以补充。尽管回收的纸张可以部分替代化学纸浆生产，但仍无法生产高质量的纸张。此外，再生纸的收集数量有限，难以满足造纸业的需求。对此，从非木材原材料中提取化学纸浆至关重要。研究表明，农业残留物如秸秆可成功应用于制浆造纸工业。汪泼设计的一种无污染的玉米秸秆多辊压延造纸技术，部分替代了现有的工业用纸生产，对解决秸秆原料问题、减少环境污染、节约自然资源等具有重要意义。
秸秆清洁制浆造纸技术通过技术创新突破了传统造纸技术的瓶颈，解决了秸秆造纸行业的纤维原料、环境保护和水资源等三大技术问题。此项技术开发了清洁制浆、环保型草浆制品、草浆废液生产木质素有机肥等三项具有自主知识产权的技术，并通过“一草两用”的方式建立了水资源减量化、废纸液再利用、固体废弃物回收的循环经济体系。所有这些举措都有助于实现秸秆造纸关键技术的成功应用。
3.2秸秆的三素分离
将秸秆三大主要组分实现高效分离和高值化利用是经济有效利用秸秆资源的关键。发展高效的秸秆组分分离技术是生物基能源、化学品和材料生产的重要环节。然而，这些技术成本高昂，是实现木质纤维素类秸秆原料工业化生产的主要技术难点之一。目前，通过自主研发和技术合作，采用生物酶法、含有催化剂的复杂有机溶剂、充分应用有机组分分离等技术，成功实现三组分高效分离，即高纯度的纤维素、半纤维素和木质素，有效降低了成本和污染。三组分的分离为产品的精细转化和后续的价值化提供了更大的保障，具有极其重要的意义。推动秸秆综合利用的产业化，对实现绿色经济和循环经济的发展具有十分重要的意义。
3.3秸秆草砖
茅草砖房是一种由太阳能、水和矿物质制成的环保和健康的建筑材料。对于节约能源而言，秸秆砖具有较低的加工成本和极高的经济优势，这是因为其使用废弃秸秆资源。同时，使用秸秆砖代替传统砖材可以减少烧制过程中的碳排放，并起到一定的环境保护作用。从成本角度来看，与传统的砖房相比，茅草砖房的成本可以降低约25%。此外，茅草砖房的寿命通常比常用砖房的寿命高出1~2倍。由于秸秆砖具有良好的保温、隔音和吸声性能，因此在东北地区寒冷气候下是一个理想选择。同时，由于草砖被紧密压缩，即使在接触火焰时，其中心也因缺氧而不容易燃烧，起到了一定的防火作用。此外，在没有氧气的情况下，也不必担心秸秆砖内部产生虫害。这些优异的性能不仅使得秸秆砖成为一种理想的保温和隔墙材料，而且为秸秆废料的处理提供了一个潜在的解决方案。
3.4人造板
3.5木糖醇
木糖醇是一种天然甜味剂，广泛应用于食品、牙科和制药行业，并被用作其他有价值化学品的平台。目前，市场上的商业生产模式仍然是基于半纤维素水解物中的木糖进行催化氢化提纯。然而，木糖提纯过程非常复杂，因此该生产模式被认为是低效且昂贵的。与传统的高温高压催化加氢生产方法相比，采用从秸秆中分离提取半纤维素并通过发酵半纤维素水解物来生产木糖醇的方法具有诸多优势，如原料成本低、能耗低、反应条件温和，并且产品质量良好。秸秆的半纤维素含量与其他类型的生物质相似，半纤维素水解物中木糖的高浓度也表明，秸秆可作为木糖转化为木糖醇的理想原料。
04
高值化路径
4.1生物基材料
因此，PLA的生命周期形成一个封闭的循环，制品在废弃后焚烧或降解都不会加重温室效应。
PLA具有机械性能高、塑性好、加工成型容易等特点，目前可以广泛应用于医疗药品、包装、塑料餐具、日用品、纺织服装面料、口罩、皮革、环保材料、农用地膜、组织工程支架、装饰品、健身器、3D打印等领域。PLA以其原材料来自农作物、可生物降解、综合性能佳等优良特性被誉为缓解全球石油危机、白色污染和温室效应的最有前途的材料。
以2022年北京冬奥会为例，为参会人员提供的注塑类餐具和一次性餐具都是以聚乳酸为原料。这些产品不含甲醛双酚A，焚烧过程中不排放氮化物、硫化物及其他有毒气体，6个月内堆肥过程中可以通过微生物的作用将其降解成二氧化碳及水。这些可降解材料的应用作为绿色奥运的重要组成部分，起到了举足轻重的作用。
聚乳酸是一种脂肪族聚酯，由乳酸聚合而成。它可以从天然生物体中提取，也可以通过人工合成得到。目前有2种主要的方法:直接聚合法和间接聚合法。这2种方式各有优缺点，直接聚合法制备的聚乳酸分子量较低，而低分子量聚乳酸则较易降解，适合用于医药领域；直接脱水聚合制备方法为:将乳酸脱水从而得聚乳酸。这一方法聚乳酸相对分子量小，且分子间范围较大，需进一步除外聚合，才可获得分子量较大聚乳酸。该工艺需要对水、温度和其他条件得到有效的控制，具体分为溶液缩聚法、熔融缩聚法等。间接聚合法虽能得到高分子量聚乳酸产品，但是制备工艺比较烦琐，适用于纺织和塑料工业。
秆制膜技术是以秸秆为原料，通过对秸秆纤维进行发酵处理、高浓度研磨、提取净化废液以及低浓度研磨处理形成有机秸秆浆料，最终形成秸秆膜的一种技术。它的优点是清洁无污染、完全生物降解，能抑制杂草生长和保水，可作为普通地膜的适宜替代品。新疆石河子的棉花作物种植试验发现，与传统PE地膜相比，聚乳酸降解地膜的出苗率更高，保水性也有所改善，达到了20%以上，而且其抑制杂草的能力也更强，完全可以满足棉花生产的覆盖需求。Li等将46mm×62mm的长方形PLA生物地方埋入野外土壤24个月后，PLA地膜大约降解10%。然而，聚乳酸的制备成本较高，这也是其被广泛应用的限制因素之一。
在废弃后还可以生物降解，从而减轻对环境的负担。我国长期以来对一次性餐具的需求量很大，但大部分是由塑料或纸制品制成，这既危害了生态环境，也会对人们的健康造成危害。
另外，我国作为农业大国，秸秆原料极其丰富，通过利用秸秆生产餐具可以提高秸秆的综合利用率，促进地方经济的发展，因此秸秆餐具被视为一种节约资源和环保的宝贵贡献。
4.1.3木塑材料。木塑复合材料克服了木材强度和可变性以及有机材料低模量等局限，同时还能够充分利用废弃木材和塑料，减少环境污染，具有可塑性、可降解性、低生产成本及环保等特点。秸秆生物质塑料则是通过将秸秆粉碎后与一定比例的热塑性树脂混合，并加入偶联剂、阻燃剂、相容剂、润滑剂、发泡剂、稳定剂和其他加工助剂等，以改善材料的性能。随后通过热压、挤出成型、注塑成型等技术生产，木塑产业的发展有效促进了秸秆的高值利用。
4.2液体燃料
燃料乙醇是通过将秸秆等木质纤维素原料进行预处理、酸水解/酶水解、微生物发酵及乙醇浓缩而生产出来的。近年来，生物燃料乙醇技术已涌现出来，乙醇生物燃料技术成为替代传统石油等能源的重要方法。第二代木质纤维素生物燃料乙醇是未来大规模替代石油的关键。
利用秸秆等生产乙醇可直接替代工业乙醇生产中大量消耗的粮食，为维护国家粮食安全做出巨大贡献。因此，秸秆转化为乙醇已成为目前生物燃料乙醇技术研究的热点方向。
4.2.2丁醇。可再生资源在生产燃料、化学品和环保材料方面的应用是可持续工业发展中的重要问题。对于玉米秸秆等废弃物，其含有的碳水化合物能通过转化为可发酵的糖，用于生物燃料的生产。生物丁醇是一种可替代的燃料，可从玉米秸秆中获得。
同时，Nanda等提出了从不同的木质纤维素生物质中获得新燃料的方法，比如通过丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵过程生产丁醇。几种农业废弃物，包括玉米秸秆在内，已成功实现了ABE发酵生产生物丁醇，具有很好的应用前景。由于快速达到所需的工业规模，玉米秸秆目前被视为工业化国家生产生物乙醇的最重要原料之一。
此外，玉米秸秆由于其纤维结构和高碳水化合物含量也成为一种有趣的生物丁醇生产原料，这种特性引起了研究人员的极大兴趣。利用玉米秸秆生产第二代生物丁醇不仅能发电，还可以有效减少温室气体排放、提高废弃物的利用率，因此具有很高的经济和环境效益。
4.3氢气
木质纤维素生物质是一种碳水化合物含量高达70%~80%的理想制氢原料。但是，由于含有木质纤维素的水稻秸秆结构复杂且紧密，因此在制氢前需要进行预处理。预处理的第一步是将秸秆粉碎，然后采用机械或化学方法脱木素，并进行暗发酵过程。在暗发酵过程中，水稻秸秆中的纤维素和半纤维素可水解成碳水化合物，然后进一步处理为有机酸和氢气。
Datar等使用蒸汽爆炸法对玉米秸秆进行预处理，并研究了其产氢发酵性能。该研究以玉米秸秆为模型生物质，采用从当地污水处理设施获取的微生物群落接种于间歇式生物反应器中，展示了溶解半纤维素和固体木质纤维素馏分作为底物的氢发酵。结果表明，通过玉米秸秆蒸汽爆炸法预处理，选取220℃下3min的处理条件可以得到最佳的氢气产量，可能是由于该条件下释放了最多的葡聚糖和木聚糖。尽管水解液中的大多数糖都是低聚物，木糖是主要成分，但微生物仍然可以有效地分解这些低聚糖并将其发酵成氢。
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总结与展望
我国的秸秆综合利用目前仍处于起步阶段，难以建立规模化、简单化、粗放化的整个秸秆产业市场化运作。其中，秸秆产品低附加值和低经济效益是目前的主要问题。自“十二五”规划实施以来，秸秆的利用有了进一步的发展，我国秸秆总利用率超过80%，在以肥料为主、饲料和燃料为辅的基础上，积极推进秸秆原料和基础材料的利用模式。尽管如此，秸秆的使用引起了很多问题，并且仍存在种种困境。由于技术和成本的限制，目前秸秆的资源化程度较低，工业应用也未得到全面推广，并且需要提高秸秆产品的附加值。
因此，秸秆综合利用面临的问题需要针对性地逐步完善政策，开发针对性的技术和产品。在现有成熟技术和产品的基础上，秸秆的高值化发展应当向“工业化、高值化”方向发展，主要包括三个方面的应用：一是生产生物基材料，例如具有良好生物降解性和可重复利用性的聚乳酸、植物短纤维-生物基复合材料等；二是将秸秆转化为乙醇、丁醇等液体燃料；三是将秸秆转化为生物天然气，例如转化为氢气等。秸秆具有非常广泛的应用前景，推动秸秆高值化发展有利于其充分利用，高附加值产品使我国秸秆的新工业用途达到一个新水平，同时也符合我国绿色环保、低碳经济政策和节能减排、可持续发展战略，有助于促进我国经济、社会与环境的和谐发展。